压力管道的失效和事故

　　压力管道“失效”一般是指压力管道不能发挥原有效能的现象，可分为自然失效和异常失效两种。由于压力管道运行在内部介质和周围环境的影响之下，不可避免地会产生温度和压力循环、腐蚀、振动以及材料金相组织变化等影响材料性能和连接接头密封性能的问题，因此任何管道都有一定的使用寿命，自然失效就是在压力管道达到使用寿命时发生的失效现象。自然失效可以通过定期检验或失效分析进行事先控制，以防止事故的发生。但是，在用压力管道由于在设计、制造、安装和运行中存在各种问题会导致异常失效，造成突发性破坏事故的发生。其原因主要有：

　　（A）职工素质差，违反操作规程运行，致使运行条件恶化，包括超压、超温、腐蚀性介质超标、压力温度异常脉动等；

　　使用压力和温度是压力管道设计、选材、制造、安装的依据。操作压力和温度超过规定将导致管壁应力值的增加或材料力学性能的下降，尤其是在焊缝、法兰、弯头、阀门、异径管、补偿器等几何结构不连续处的局部应力和峰值应力会大幅增加，成为蠕变破坏的源头。过低的操作温度则会引起材料韧性下降，允许的临界裂纹尺寸减小，从而有可能导致脆性破坏。超温超压还会导致管道接头泄漏。

　　管道往往由于下列原因而产生交变载荷：

　　1）间断输送介质而对管道反复加压和卸压、升温和降温；

　　2）运行中压力波动较大；

　　3）运行中温度发生周期性变化，使管壁产生反复性温度应力变化；

　　4）因其它设备、支承的交变外力和受迫振动。

　　在反复交变载荷的作用下，管道将发生疲劳破坏。主要是金属的低周疲劳，其特点是应力较大而交变频率较低。在几何结构不连续的地方和焊缝附近存在应力集中，有可能达到和超过材料的屈服极限。这些应力如果交变地加载和卸载，将使受力最大的晶粒产生塑性变形并逐渐发展为细微的裂纹。随着应力周期变化，裂纹也会逐步扩展，最后导致破坏。

　　交变载荷也会导致管道组成件和焊缝内部原有缺陷的扩大和管道连接接头的泄漏。

　　（B）设计、制造、施工存在缺陷，如管道柔性不符合要求，材料选用不当或用材错误，存在焊接或冶金超标缺陷，焊接或组装不合理造成应力过大，管道支承系统不合理等；

　　管道在投用前存在的原始缺陷会造成材料的低应力脆断。介质和环境的侵害、操作不当、维护不力等原因，往往会引起材料性能恶化、材料损伤或破裂，或使管道连接接头发生介质泄漏，最终使压力管道失效，导致火灾、爆炸和中毒、窒息等人身事故的发生。

　　（C）维修失误，管道上的严重缺陷或损伤未能被检测发现，或缺少科学评价，以及不合理的维修工艺造成新的缺陷和损伤等；

　　（D）外来损伤造成破坏，如地震、大风、洪水、雷击和其它机械损伤和人为破坏等。

　　压力管道的破坏型式很多。按破坏时的宏观变形量可分为韧性破坏（延性破坏）和脆性破坏两大类。按破坏时材料的微观断裂机制可分为韧窝断裂、解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂等型式。通常，在现场采用宏观分类和断裂特征相结合的方法进行分类，有韧性破坏、脆性破坏、腐蚀破坏、疲劳破坏、蠕变破坏等。

　　（E）腐蚀破坏

　　压力管道的腐蚀是由于受到内部介质及外部环境介质的化学或电化学作用而发生的破坏。也包括机械等原因的共同作用结果。不合理的操作会导致介质浓度的变化，加剧腐蚀破坏。

　　压力管道的腐蚀破坏的形态有全面腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳和氢损伤等。其中应力腐蚀往往在没有先兆的情况下突然发生，故其危害性更大。

　　1）全面腐蚀

　　全面腐蚀也称均匀腐蚀。是在管道较大面积上产生的程度基本相同的腐蚀。管道内部表面主要遭受输送腐蚀性介质的腐蚀，而管道外部则主要遭受大气锈蚀。

　　管道的全面腐蚀往往因使用条件的恶化而加剧。腐蚀介质的成分、含水量、气相或液相的不同、流速和流动状态、颗粒大小都会影响管道腐蚀失效的程度。腐蚀介质含量的超标或原料性质的劣化会对压力管道产生危害。

　　大气腐蚀会使管道组成件外部遭受损坏，影响管道组成件的强度和密封性。如不及时维护，也会引起事故。

　　2）局部腐蚀

　　局部腐蚀是发生在管道材料局部位置的腐蚀现象。

　　a）点腐蚀：集中在金属表面个别小点上的深度较大的腐蚀，也称孔蚀。奥氏体不锈钢在接触含氯离子或溴离子的介质时最容易发生点腐蚀。

　　b）缝隙腐蚀：当管道输送的介质为电解质溶液时，在管道内表面的缝隙处，如法兰垫片处、单面焊的未焊透处等，均会发生缝隙腐蚀。缝隙腐蚀往往是由于缝隙内和周围溶液之间氧浓度或金属离子浓度存在差异造成。

　　c）奥氏体不锈钢焊接接头的腐蚀：

　　①晶间腐蚀：晶间腐蚀是腐蚀局限在晶间和晶间附近，而晶粒本身腐蚀较小的一种腐蚀形态。腐蚀机理是“贫铬理论”，即由于贫铬的晶间区处于活化状态，作为阳极，它与晶粒之间形成腐蚀原电池，其结果将造成晶粒脱落或使材料机械强度降低。

　　②δ铁素体选择性腐蚀：在某些强腐蚀介质中，奥氏体不锈钢焊缝处的δ铁素体相会被腐蚀或分解为σ相，结果呈海绵状而使焊接接头遭受破坏。

　　③刀口腐蚀：用Ni及Ti稳定的奥氏体不锈钢，在氧化性介质中发生的刀口状腐蚀。

　　3）应力腐蚀

　　金属材料在拉应力和特定腐蚀介质的共同作用下发生的腐蚀称为应力腐蚀。主要由焊接、冷加工和安装时的残余应力和管道内部的腐蚀性介质引起。应力腐蚀的裂纹呈枯树支状，大体上沿垂直于拉应力的方向发展。裂纹的微观形态有穿晶型、晶间型和二者兼有的混合型。高强钢管道在H2S含量超过一定值，并伴有水分时，会大大增加管壁应力腐蚀开裂的可能性。当焊缝硬度值超过HB200，含H2S超标时，极易导致焊缝的应力腐蚀。

　　①碱脆：是金属在碱液中的应力腐蚀。碳钢、低合金钢和不锈钢等均可发生碱脆。

　　②不锈钢的氯离子腐蚀：氯离子对不锈钢产生的应力腐蚀。导致氯离子腐蚀的氯离子临界浓度随温度上升而下降，高温下，氯离子浓度只要达到10 ppm即可引起破裂。管道法兰连接处的垫片、外部的保温材料和支、吊架的垫层等材料中含氯离子的成分过高，也会导致氯离子腐蚀。

　　③不锈钢连多硫酸腐蚀：在石油炼制过程中，钢材受硫化氢腐蚀生成硫化铁，停车后管道内部与空气中的氧及水反应生成多硫酸，在不锈钢管道的残余应力较大处即会产生应力腐蚀。以加氢脱硫装置为典型，不锈钢连多硫酸的应力腐蚀破坏最近引人注目。

　　④硫化物应力腐蚀：金属在同时含硫化氢和水的介质中发生的应力腐蚀。碳钢和低合金钢在20～40℃温度范围内对硫酸的敏感性最大。奥氏体不锈钢的硫化物应力腐蚀大多发生在高温环境。在含硫化氢和水的介质中，如同时含有醋酸，或二氧化碳和氯化钠，或磷化氢，或砷、硒、碲的化合物或氯离子，都会对腐蚀起促进作用。

　　4）腐蚀疲劳

　　腐蚀疲劳是交变应力与化学介质共同作用下发生的腐蚀开裂。压力管道的疲劳源有机械激振、流体喘振、交变热应力、压力循环以及风振、地震等。腐蚀疲劳裂纹往往有多条但无分支，这是与应力腐蚀裂纹的区别。腐蚀疲劳裂纹一般是穿晶的。

　　5）氢损伤

　　氢渗透进入金属内部造成金属性能劣化称为氢损伤。包括氢鼓泡、氢脆、脱碳和氢腐蚀。

　　氢鼓泡主要发生在含湿硫化氢的介质中，当氢原子向钢中渗透扩散时，遇到了裂纹、分层、空隙、夹渣等缺陷就聚集起来合成氢分子，使体积膨胀。当这些缺陷在钢材表面时就会形成鼓泡。

　　氢不论是以什么方式进入钢都会引起钢材氢脆，使钢材的延伸率、断面收缩率显著下降。高强度钢表现更加严重。

　　钢中的渗碳体在高温下与氢气作用生成甲烷，反应结果使钢材表面层的渗碳体减少，使碳从邻近的尚未反应的金属层逐渐扩散到这一反应区，于是有一定厚度的金属因缺碳而变为铁素体，出现脱碳现象。脱碳的结果使钢材的表面强度和疲劳极限降低。

　　高温高压氢对钢材作用的结果使其机械性能变劣，强度、韧性显著降低，称为氢腐蚀。在上述条件下，氢分子扩散到钢的表面并产生吸附，其中部分被吸附的氢分子分离为氢原子和氢离子，经化学吸附，然后直径很小的氢原（离）子透过表面层固溶到金属内。因溶入的氢原子通过晶格和晶界向钢内扩散，产生化学反应形成甲烷聚集在晶界原有微观空隙内，反应过程使该区域的碳浓度降低，促使其他位置上的碳向其扩散补充，从而使甲烷量不断增多形成局部压力，最后发展为裂纹。聚集在钢材表面的形成鼓泡，产生脱碳。

　　（F）冲蚀破坏

　　管道内部介质的长期、高速流动会使管道组成件内壁减薄或密封副遭受破坏，影响其耐压强度和密封性能。随着使用时间的延长，由内壁减薄造成的耐压能力下降或密封副损坏而形成的泄漏便会成为事故的根源。

　　（二）破坏特征

　　由于管道破坏的起因和型式不同，所以破坏的特征也有所区别。

　　（A）韧性破坏是材料不存在明显的缺陷或脆化，而是由于超压导致的破坏。其特征有：

　　1）发生明显变形，一般不产生碎片。破坏时直径增大或局部鼓胀，管壁减薄。

　　2）实际爆破压力与理论值相近。

　　3）断口呈灰暗纤维状，无金属光泽，断面有剪切唇。

　　4）断口纤维区之外呈放射形花纹或人字形花纹，并有指向起爆点的特点。

　　（B）脆性破坏是管道破坏时没有发生宏观变形，破坏时的管壁应力也远未达到材料的强度极限，甚至低于屈服极限的破坏现象。通常是由于材料的脆性或严重的缺陷引起，如材料的焊接和热处理工艺不当，焊缝存在缺陷以及低温引起的冷脆等。脆性破坏往往是瞬间发生，并以极快的速度扩展。因为其是在低应力下发生的破坏，故也称低应力破坏。脆性破坏的特征是：

　　1）无明显的塑性变形。

　　2）破坏时的应力较低。

　　3）材料脆化形成的脆性破坏，其断口平齐，呈金属光泽的结晶状态。

　　4）因材料缺陷形成的脆性破坏，其断口不呈结晶状，而出现原始缺陷区、稳定扩展的纤维区、快速扩展的放射纹和人字纹区以及内外表面边缘的剪切唇区。原始缺陷如是表面裂纹，则会出现深色的锈蚀状态，如原始缺陷是内部气孔、夹渣、未焊透等，也会在断口上观察到。

　　（C）疲劳破坏是材料长期承受大小和方向都随时间而周期变化的交变载荷作用下发生疲劳裂纹核心，逐渐扩展最后形成断裂的破坏形式。其特征是：

　　1）破坏部位集中在几何不连续处或有裂纹类原始缺陷的焊缝处，整体上无塑性变形。

　　2）疲劳破坏的基本形式有爆破或泄漏两种。前者易发生在强度高而韧性差的材料中，后者则发生于强度较低而韧性较好的材料中。

　　3）断口上有明显的裂纹产生区、扩展区和最终断裂区。在扩展区，宏观上有明显的贝壳状树纹，且断口平齐、光亮。最终断裂区一般有放射状的花纹或人字纹。

　　4）电镜下观察疲劳断口的裂纹扩展区时，可见到独特的疲劳辉纹。

　　（D）蠕变破坏是钢材在高温下低于材料屈服强度时发生的缓慢持续的伸长，最后产生破坏的现象。材料发生蠕变的过程有减速、恒速和加速三个阶段。恒速阶段是控制材料高温使用寿命的阶段。蠕变断裂是沿晶断裂，其特征是：

　　1）宏观断口呈粗糙的颗粒状，无金属光泽。

　　2）表面为氧化层或其他腐蚀物覆盖。

　　3）管道在直径方向有宏观变形，并有沿径向方向的小蠕变裂纹，甚至出现表面龟裂或穿透管壁而泄漏。

　　4）断口与壁面垂直，壁厚无减薄，边缘无剪切唇。

　　（三）事故防范和报告

　　为了防止或减少压力管道的破坏事故，使用单位应采取必要的措施，包括：

　　――管道必须由有资格的设计单位进行设计并符合设计规范的规定；

　　――管道系统应按规定装设安全泄压装置并保持其灵敏好用；

　　――采取有效措施防止大气及介质对管道的腐蚀；

　　――管道投用前应进行役前检查和验收，管系结构、材料、焊接、热处理、压力试验等关键环节必须符合规定要求；

　　――运行操作必须严格执行操作规程，控制工艺指标，杜绝超温、超压运行；

　　――检修或局部更换管道时，避免错用或不合理代用而降低管道的极限应力；

　　――加强对管道的维护检查和定期检验；

　　――对长期放置不用、维护不良的管道，因发生大面积腐蚀、厚度减薄、强度减弱，再次启用前应按规定进行全面检验。

　　当压力管道发生安全事故后，使用单位除应迅速采取措施进行处理外，还应注意严格保护事故现场，及时收集有关信息和资料，如现场录制的图像、损坏件的断口状况、原始操作记录以及事故调查报告等，以对事故分析提供客观、科学的依据。

　　对事故原因进行分析时，应采取测量宏观变形量；检验材料的化学成分和机械性能；进行断口的宏观分析和显微分析等技术手段。然后依据有关资料和技术检验结果进行事故综合分析，包括破坏程度，爆炸性质和破坏形式，最后找出事故原因，以吸取教训，防范未然。

　　五、对压力管道材料的一般要求

　　（一）对管子和管件的要求

　　（A）压力管道受压元件用钢应用平炉、电炉或纯氧顶吹转炉冶炼。低温管道用钢应使用镇静钢。

　　（B）管材应选用流体输送用无缝钢管或焊接钢管。

　　（C）当直缝焊接钢管系非钢管制造厂生产线制造（如施工单位现场制造）而用于下列场合时，所用钢板应逐张进行超声波检测，其合格等级为调质钢不低于Ⅱ级，其它不低于Ⅲ级。

　　1）低温钢板厚度大于20mm；

　　2）20R及16MnR钢厚度大于30mm；

　　3）其它低合金钢厚度大于25mm；

　　4）各种厚度的调质钢板。

　　（D）管道组成件的无损检测、晶间腐蚀倾向试验、低温冲击韧性试验不应低于现行国家或行业标准中规定的要求。在现行国家或行业标准中指定按用户要求协商决定的产品，其上述检测试验结果应在质量证明书中说明。

　　非钢管制造厂生产线制造的直缝焊接钢管的焊缝无损检测比例按设计规范执行。用于GC1级压力管道、低温管道和剧烈循环条件管道的直缝焊接钢管应经100%无损检测。

　　（E）管道材料在加工和焊接后的热处理应按设计和施工规范规定进行。公称直径大于100mm或壁厚大于13mm的铁素体合金钢弯管、有应力腐蚀的冷弯弯管和焊接接头必须进行热处理。

　　（F）管道材料的使用温度不能超过设计规范中规定的材料许用温度的上、下限。

　　（G）在国家和行业标准中，对管道组成件的公称压力及对应的工作压力―温度参数值（等级）已作出规定者，均应按规定使用。对于只标明公称压力的管道组成件，除另有规定外，在设计温度下的许用压力应按材料在设计温度下的许用应力和计算温度下的许用应力的比值进行换算。

　　（H）低温管道对材料的要求

　　1）管道设计温度低于-20℃，而高于规范规定的使用温度下限的碳素钢、低合金钢、中合金钢、高合金铁素体钢和含碳量大于0.1%的奥氏体不锈钢，出厂材料及采用焊接堆积的焊缝金属和热影响区应进行低温冲击试验，但下列情况除外：

　　a）使用温度等于或高于-45℃，且不低于规范规定的使用温度下限，同时材料的厚度不能制备5mm厚冲击试样时；

　　b）除抗拉强度下限值大于540MPa的钢材及螺栓材料外，使用的材料在低温低应力工况（设计温度低于或等于-20℃，环向应力小于或等于钢材标准中屈服点的1/6，且不大于50MPa）下，若设计温度加50℃后，高于-20℃时。

　　2）奥氏体高合金钢的使用温度等于或高于-196℃时，可免作低温冲击试验。

　　3）20R钢板使用温度低于0℃，厚度大于25mm或使用温度低于-10℃，厚度大于12mm时，应作低温冲击试验；

　　4）除低温钢外，其它低合金钢板使用温度低于0℃，厚度大于38mm时，或使用温度低于-10℃，厚度大于20mm的16MnR、15MnVR和15MnVNR钢板应作低温冲击试验；

　　5）需热处理的低温材料，应在热处理后进行冲击试验。制造厂已作过冲击试验的材料，加工后如经热处理，也应进行低温冲击试验。

　　（I）剧毒介质、有毒介质和可燃介质管道以及剧烈循环条件管道的材料应按设计规范的规定限制使用，如带填料密封的补偿器不能用于剧毒介质、有毒介质和可燃介质管道；剧毒介质管道不得使用任何脆性材料等。

　　（二）其它规定

　　（A）阀门的试验和解体检查按设计和施工规范进行。设计规定应进行低温密封试验的阀门应有制造厂进行低温密封试验的合格证明。

　　（B）合金钢管道组成件应按规范要求在安装前进行合金元素光谱分析，使用前应进行核查。

　　（C）用于不锈钢法兰的非金属垫片，其氯离子含量不得超过50ppm。

　　（D）在剧烈循环条件下，应采用对焊法兰，法兰连接接头的螺栓应采用合金钢材料。公称直径大于40的，不应采用承插焊接接头。螺纹连接只能用于温度计套管。钎焊接头不能使用。

　　（E）有缝隙腐蚀的流体工况下，不应使用承插焊接接头和螺纹密封连接接头。

　　六、管道系统的安全规定

　　（一）超压保护

　　（A）在运行中可能超压的管道系统均应设置安全阀、爆破片等泄压装置。

　　（B）不宜使用安全阀的场合可用爆破片。爆破片设计爆破压力与正常最大工作压力的差值应有一定的裕量。

　　（C）安全阀应分别按排放气（汽）体或液体进行选用，并考虑背压的影响。安全阀的开启压力（整定压力）除工艺有特殊要求外，为正常工作压力的1.1倍，最低为1.05倍，但设计规范和设计文件有规定者除外。

　　（D）安全阀的入口管道压力损失宜小于开启压力的3%，出口管道的压力损失不宜超过开启压力的10%。

　　（E）安全阀的最大泄放压力不宜超过管道设计压力的1.1倍，火灾事故时的最大泄放压力不应超过设计压力的1.21倍。

　　（F）安全阀或爆破片的入口管道和出口管道上不宜设置切断阀。工艺有特殊要求必须设置时，还应设置旁通阀及就地压力表。正常工作时安全阀或爆破片入口或出口的切断阀应在开启状态下锁住。旁通阀应在关闭状态下锁住。并在图纸上加注规定的符号。

　　（G）双安全阀出入口设置三通式转换阀时，两个转换阀应有可靠的连锁机构。安全阀与转换阀之间的管道应有排空措施。

　　（H）制造厂应保证产品性能符合设计提供的泄压装置详细数据。

　　（二）阀门和盲板设置

　　（A）需防止倒流的管道上应设置止逆阀。

　　（B）正常运行中必须严格控制在开或关位置的阀门，设计应附加锁定或铅封的要求，并注明规定的代号。此类阀门只允许维修时在严格监督下使用并经有关负责人批准。

　　（C）当装置停修时装置外有可能或要求继续运行的管道，在装置边界处除设置切断阀外还应在阀门靠装置一侧设置盲板。

　　（D）运行中当有设备需切断检修时，在设备和阀门之间应设置盲板。对于可燃流体管道、阀门和盲板之间装有小放空阀时，放空阀后的管道应引至安全地点。

　　（E）压力试验和气密试验需隔断的位置应设盲板。

　　（F）液体温度低于-5℃或大气腐蚀严重场合宜使用分离式盲板，即插板与垫环。不宜使用“8”字盲板。插板与垫环应有识别标记，标记部位应伸出法兰。

　　（三）排放

　　（A）可燃流体应排入封闭的收集系统，严禁直接排入下水道。

　　（B）密度比环境空气大的可燃气体应排入火炬系统，密度比环境空气小的可燃气体，在允许不设火炬及符合卫生标准的情况下可排入大气。

　　（C）无毒、不可燃、无闪蒸的流液体，在符合卫生标准及水道材料使用温度和无腐蚀的情况下，可直接排入下水道。

　　（D）排放管应按排放量和工作压力决定管径。排放口流速应符合设计规范规定。不经常使用的常压放空管口应加防鸟网。

　　（四）其他要求

　　（A）在寒冷气候条件下，室外的冷却水总管末端和冷却器进出水管道应设防冻旁通管或其他防冻措施。气体管道有冷凝液产生或液体管道有死角区，以及排液管有可能冻结时，宜设伴热管。

　　（B）安装在室内的可燃流体管道的薄弱环节的组成件，如玻璃液位计、视镜等应有安全防护措施。

　　（C）管道系统所产生的静电可通过设备或土建结构的接地网接地。其他防静电要求应符合相应标准的规定。

　　（D）不允许流体中断的重要设备宜采用双管或设置带有隔断阀门的环状管网等安全措施。

　　（E）与明火设备连接的可燃气体减压后的管道（包括火炬管道），和需隔断易着火的管道（包括放空管）与其连接的设备时应设阻火设施。

　　（F）氧气管道应符合下列规定：

　　1）强氧化性流体（氧或氟）管道应在管道预制后、安装前分段或单件进行脱脂。脱脂后的管道组成件一概采用氮气或空气吹净封闭。并应避免残存脱脂介质与氧气形成危险的混合物。

　　2）氧气管道组成件选用应符合规范规定。并宜选用无缝管子和管件。设计压力大于3MPa时宜采用奥氏体不锈钢管。碳钢和低合金钢管道上设有调压阀时，调压阀前后1.5m范围内宜采用奥氏体不锈钢管及管件。阀门不应使用快开、快闭型，阀内垫片及填料不应采用易脱落碎屑、纤维的材料或可燃材料。

　　3）焊接应采用氩弧焊。

　　4）氧气管道流速限制、静电接地及管道布置应符合《氧气站设计规范》GB50030和氧气安全技术规程的规定。除非工艺流程有特殊设计要求及可靠的安全措施保证，氧气管道严禁与可燃流体管道直接连接。

　　（G）夹套管应根据流体凝固点高低，其他物性改变条件及工艺要求分别选择全夹套、部分夹套或简易夹套结构。